opencv图像阈值设置的三种方法

1、简单阈值设置

  像素值高于阈值时，给这个像素赋予一个新值（可能是白色），否则我们给它赋予另外一种颜色（也许是黑色）。这个函数就是 cv2.threshhold()。这个函数的第一个参数就是原图像，原图像应该是灰度图。第二个参数就是用来对像素值进行分类的阈值。第三个参数就是当像素值高于（有时是小于）阈值时应该被赋予的新的像素值。 OpenCV提供了多种不同的阈值方法，这是有第四个参数来决定的。这些方法包括：
• cv2.THRESH_BINARY
• cv2.THRESH_BINARY_INV
• cv2.THRESH_TRUNC
• cv2.THRESH_TOZERO
• cv2.THRESH_TOZERO_INV

上图摘选自《学习 OpenCV》中文版
  这个函数有两个返回值，第一个为 retVal，我们后面会解释。第二个就是阈值化之后的结果图像了.
  为了同时在一个窗口中显示多个图像，我们使用函数 plt.subplot(),可以通过查看 Matplotlib 的文档获得更多详细信息

import cv2
import numpy as np 
from matplotlib import pyplot as plt 

img = cv2.imread('image/lufei.jpeg',0)
ret,thresh1 = cv2.threshold(img, 127, 255, cv2.THRESH_BINARY)
ret,thresh2 = cv2.threshold(img, 127, 255, cv2.THRESH_BINARY_INV)
ret,thresh3 = cv2.threshold(img, 127, 255, cv2.THRESH_TRUNC)
ret,thresh4 = cv2.threshold(img, 127, 255, cv2.THRESH_TOZERO)
ret,thresh5 = cv2.threshold(img, 127, 255, cv2.THRESH_TOZERO_INV)

titles = ['Original','BINARY','BINARY_INV','TRUNC','TOZERO','TOZERO_INV']
images = [img,thresh1,thresh2,thresh3,thresh4,thresh5]

for i in xrange(6):
    plt.subplot(2,3,i+1),plt.imshow(images[i],'gray')
    plt.title(titles[i])
    plt.xticks([]),plt.yticks([])
plt.show()

结果图：

2 、自适应阈值

  在前面的部分我们使用是全局阈值，整幅图像采用同一个数作为阈值。但是这种方法并不适应与所有情况，尤其是当同一幅图像上的不同部分的具有不同亮度时。这种情况下我们需要采用自适应阈值。此时的阈值是根据图像上的每一个小区域计算与其对应的阈值。因此在同一幅图像上的不同区域采用的是不同的阈值，从而使我们能在亮度不同的情况下得到更好的结果。这种方法需要我们指定三个参数，返回值只有一个。
• Adaptive Method- 指定计算阈值的方法。
– cv2.ADPTIVE_THRESH_MEAN_C：阈值取自相邻区域的平均值
– cv2.ADPTIVE_THRESH_GAUSSIAN_C：阈值取值相邻区域的加权和，权重为一个高斯窗口。
• Block Size - 邻域大小（用来计算阈值的区域大小）。
• C - 这就是是一个常数，阈值就等于的平均值或者加权平均值减去这个常数。
  使用下面的代码来展示简单阈值与自适应阈值的差别：

import cv2
import numpy as np 
from matplotlib import pyplot as plt 

img = cv2.imread('image/lufei.jpeg',0)
img = cv2.medianBlur(img, 5)
ret,th1 = cv2.threshold(img, 127, 255, cv2.THRESH_BINARY)
th2 = cv2.adaptiveThreshold(img, 255, cv2.ADAPTIVE_THRESH_MEAN_C, cv2.THRESH_BINARY, 11, 2)
th3 = cv2.adaptiveThreshold(img, 255, cv2.ADAPTIVE_THRESH_GAUSSIAN_C, cv2.THRESH_BINARY, 11, 2)
titles = ['Original','Global Thresholding(v = 127)','Adaptive Mean Thresholding','Adaptive Gaussian Thresholding']
images = [img,th1,th2,th3]
for i in xrange(4):
    plt.subplot(2,2,i+1),plt.imshow(images[i],'gray')
    plt.title(titles[i])
    plt.xticks([]),plt.yticks([])
plt.show()

结果图：

3 、Otsu’s 二值化

  在第一部分中我们提到过 retVal，当我们使用 Otsu 二值化时会用到它。那么它到底是什么呢？在使用全局阈值时，就是随便给了一个数来做阈值，那我们怎么知道选取的这个数的好坏呢？答案就是不停的尝试。如果是一幅双峰图像（双峰图像是指图像直方图中存在两个峰）我们岂不是应该在两个峰之间的峰谷选一个值作为阈值？这就是 Otsu 二值化要做的。简单来说就是对一幅双峰图像自动根据其直方图计算出一个阈值。（对于非双峰图像，这种方法得到的结果可能会不理想）。
  这里用到到的函数还是 cv2.threshold()，但是需要多传入一个参数（flag）： cv2.THRESH_OTSU。这时要把阈值设为 0。然后算法会找到最优阈值，这个最优阈值就是返回值 retVal。如果不使用 Otsu 二值化，返回的retVal 值与设定的阈值相等。
  下面的例子中，输入图像是一副带有噪声的图像。第一种方法，设127 为全局阈值。第二种方法，直接使用 Otsu 二值化。第三种方法，首先使用一个 5x5 的高斯核除去噪音，然后再使用 Otsu 二值化。看看噪音去除对结果的影响有多大吧。

import cv2
import numpy as np 
from matplotlib import pyplot as plt 

img = cv2.imread('image/lufei.jpeg',0)
ret1,th1 = cv2.threshold(img, 127, 255, cv2.THRESH_BINARY)
ret2,th2 = cv2.threshold(img, 127, 255, cv2.THRESH_BINARY+cv2.THRESH_OTSU)
blur = cv2.GaussianBlur(img, (5,5), 0)
ret3,th3 = cv2.threshold(blur, 0, 255, cv2.THRESH_BINARY+cv2.THRESH_OTSU)
images = [img,0,th1,img,0,th2,blur,0,th3]
titles = ['Original Noisy Image','Histogram','Global Threshilding(v = 127)',
            'Original Noisy Image','Histogram',"Otsu's Thresholding",
            'Gaussian fifltered Image','Histogram',"Otsu's Thresholding",]
for i in xrange(3):
    plt.subplot(3,3,i*3+1),plt.imshow(images[i*3],'gray')
    plt.title(titles[i*3]),plt.xticks([]),plt.yticks([])
    plt.subplot(3,3,i*3+2),plt.hist(images[i*3].ravel(),256)
    plt.title(titles[i*3+1]),plt.xticks([]),plt.yticks([])
    plt.subplot(3,3,i*3+3),plt.imshow(images[i*3+2],'gray')
    plt.title(titles[i*3+2]),plt.xticks([]),plt.yticks([])
plt.show()

结果图：

4 、Otsu’s 二值化是如何工作的

  在这一部分演示怎样使用 Python 来实现 Otsu 二值化算法，从而告诉大家它是如何工作的。因为是双峰图， Otsu 算法就是要找到一个阈值（t）, 使得同一类加权方差最小，需要满足下列关系式：

  其实就是在两个峰之间找到一个阈值 t，将这两个峰分开，并且使每一个峰内的方差最小。实现这个算法的 Python 代码如下：

import cv2
import numpy as np 

img = cv2.imread('image/lufei.jpeg',0)
blur = cv2.GaussianBlur(img, (5,5), 0)
hist = cv2.calcHist([blur], [0], None, [256], [0,256])
hist_norm = hist.ravel()/hist.max()
Q = hist_norm.cumsum()

bins = np.arange(256)
fn_min = np.inf
thresh = -1

for i in xrange(1,256):
    p1,p2 = np.hsplit(hist_norm, [i])
    q1,q2 = Q[i],Q[255]-Q[i]
    b1,b2 = np.hsplit(bins, [i])
    m1,m2 = np.sum(p1*b1)/q1,np.sum(p2*b2)/q2
    v1,v2 = np.sum(((b1-m1)**2)*p1)/q1,np.sum(((b2-m2)**2)*p2)/q2
    fn = v1*q1 + v2*q2
    if fn < fn_min:
        fn_min = fn
        thresh = i
ret,otsu = cv2.threshold(blur, 0, 255, cv2.THRESH_BINARY+cv2.THRESH_OTSU)
print thresh,ret